Metale alcaline

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Litiu metalic conservat sub parafină.
Bucăți de sodiu metalic depozitate în parafină.
Perle metalice de potasiu conservate sub parafină.
Rubidiu metalic într-un flacon de sticlă.
Ceziu metalic într-o fiolă de sticlă.

Metalele alcaline sunt litiu (Li), sodiu (Na), potasiu (K), rubidiu (Rb), cesiu (Cs) și franciu (Fr). Aceste elemente chimice alcătuiesc grupa 1 din blocul s al tabelului periodic . În nomenclatura anterioară acest grup a fost numit IA . Ele formează un grup omogen de metale extrem de reactive, care pierd cu ușurință electronul de la nivelul electronic extrem, formând cationi M + . În compușii lor, ei iau invariabil numărul de oxidare +1 și prezintă în esență chimie ionică . Compușii de sodiu și potasiu sunt cunoscuți din cele mai vechi timpuri și sunt încă printre cei mai importanți compuși chimici din punct de vedere economic. Ionii Na + și K + sunt esențiali pentru organismele animale. Compușii cu litiu au început să fie utilizați abia în anii 1940. Rubidiul și cesiul sunt elemente de interes academic. Franciul este foarte puțin cunoscut. [1]

Adjectivul alcalin provine din arabul al-qali ; acest termen se referea la potasiu , obținut ca un produs secundar al arderii lemnului (verbul qalaa în arabă înseamnă a prăji ). Deoarece potasa are caracteristici de bază , convenția s-a răspândit pentru a numi alcaline toate acele substanțe care, la fel ca potasa, sunt capabile să neutralizeze acizii. Deci, chiar și astăzi, cu alcaline putem însemna fie un metal din primul grup al tabelului periodic, fie un compus de bază.

Surse

Toate aceste elemente se găsesc în natură doar în sărurile lor, deoarece forma metalică este foarte reactivă. Litiul este cel de-al treizeci și primul element din abundență pe scoarța terestră , unde este prezent în diferite minerale; cel mai important este spodumenul (LiAlSi 2 O 6 ). Litiul se obține din depozite de spodumen sau saramuri de origine naturală. Principalele produse ale industriei miniere de litiu sunt Li 2 CO 3 , LiOH și LiCl . [2] Litiul ca metal este rar folosit; anual se produc aproximativ 25.000 de tone. Sodiul și potasiul sunt foarte frecvente pe scoarța terestră, fiind al șaselea și respectiv al optulea element din abundență. Sodiul este răspândit în multe minerale silicatate , dar în cea mai mare parte este extras sub formă de clorură de sodiu și carbonat de sodiu din sare de rocă (NaCl) și trona (Na 2 CO 3 · NaHCO 3 · 2H 2 O); în acest fel se produc anual aproximativ 250 de milioane de tone de săruri de sodiu. Prin comparație, producția obținută în saline este minoritară. Producția de sodiu metalic este de aproximativ 90.000 de tone pe an, obținută prin electroliză din NaCl topit. Potasiul este prezent în multe minerale silicatice, cum ar fi feldspatul și argilele , dar este obținut ca clorură de potasiu în principal din silvit (KCl), carnalit (KMgCl 3 · 6 (H 2 O)) și alunită (KAl 3 (SO 4 ) 2 (OH ) 6 ), minerale care sunt prelucrate cu o rată de aproximativ 35 de milioane de tone pe an. Producția anuală de potasiu metalic este de ordinul a doar 200 de tone. Rubidiul este al șaisprezecelea element din abundență pe scoarța terestră. Acest element nu are minerale specifice, dar este prezent în urme în minerale precum lepidolit , carnalit și polucit . Micul rubidiu utilizat este obținut ca un produs secundar al extracției litiului din lepidolit. Cesiul este al patrulea și al șaselea element prin abundență pe scoarța terestră. Dintre puținele minerale de cesiu, cel mai important este polucitul, (Cs, Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 · H 2 O, un mineral rar care este principala sursă de extracție cu cesiu. Producția este limitată la aproximativ 20 de tone pe an. Franciul în natură se formează continuu în urme minime ca produs de degradare al minereurilor de uraniu. La rândul lor, acești atomi de freniu se descompun cu un timp de înjumătățire de aproximativ 20 de minute; se estimează că există mai puțin de 30 g de franciu pe Pământ la un moment dat. [3]

Toxicitate și rol biologic

Litiul este prezent în cantități mici la plante și animale, dar nu pare esențial și nu pare să fie implicat în nicio funcție biologică; în cantități mari devine toxic. Intră inevitabil în dieta noastră și cea mai mare parte este excretată; un corp uman conține aproximativ 7 mg . Sodiul este esențial pentru animale și mai puțin pentru plante. Un corp uman conține aproximativ 100 g conținut ca Na + în principal în plasma sanguină, unde servește pentru reglarea presiunii osmotice și a tensiunii arteriale . Cantitatea de sodiu necesară organismului este luată cu o dietă normală. Compușii de sodiu nu sunt periculoși, dar o dietă prea bogată în sodiu poate determina creșterea tensiunii arteriale. Cantitățile excesive de sodiu au efecte emetice . Potasiul este esențial pentru aproape toate viețuitoarele. Un corp uman conține aprox 130 g de potasiu sub forma K + , conținut în principal în celule. În organism, potasiul este implicat în diferite funcții, inclusiv solubilizarea proteinelor , transmiterea impulsurilor nervoase și contracția musculară . Alimentele de origine vegetală sunt deosebit de bogate în potasiu, care trebuie luat în mod regulat, deoarece corpul nostru nu are cum să-l acumuleze și îl elimină continuu în urină. Un deficit puternic de potasiu cauzează slăbiciune musculară, depresie și confuzie, în timp ce, pe de altă parte, un aport excesiv de potasiu deprimă sistemul nervos central și poate provoca, de asemenea, disfuncții renale și atacuri de cord; toate aceste probleme sunt rare cu o dietă normală. Rubidiul nu are rol biologic, dar are un efect stimulator asupra metabolismului , probabil datorită similitudinii sale cu potasiul. Un corp uman conține aprox 680 mg de rubidiu, luate în dieta noastră la o rată de aprox 1-5 mg pe zi. Sărurile de rubidiu nu sunt considerate toxice. Nici cesiul nu are roluri biologice. Un corp uman conține aprox 6 mg de cesiu, luate din alimente. Excesul de cesiu are efecte toxice; mai periculos este izotopul radioactiv cesiu-137, produs în experimente nucleare efectuate în atmosferă în secolul trecut și eliberat în cazul accidentelor nucleare. Franciul ar fi periculos pentru radioactivitatea sa, dar în practică este prea rar să interacționezi cu orice specie vie. [3]

Aplicații

Litiul are numeroase aplicații: oxidul de litiu este utilizat ca aditiv în sticle și ceramică, stearat de litiu în grăsimi lubrifiante , litiu metalic în aliaje ușoare cu aluminiu și magneziu . Alți compuși, inclusiv carbonatul de litiu, sunt utilizați în produse chimice și farmaceutice și în bateriile reîncărcabile. Izotopul litiu-6 este utilizat în bombele cu hidrogen . Cel mai utilizat compus de sodiu este clorura ( NaCl ), care este utilizată de industria chimică pentru a obține alți compuși bazici precum NaOH , Na 2 CO 3 și clor , precum și de industria alimentară ca aditiv . Soda caustică (NaOH) este cel mai important compus industrial de bază , în timp ce soda Solvay (Na 2 CO 3 ) este utilizată la fabricarea sticlei și la tratarea apei. Sodiul metalic este utilizat în procesele de extracție a metalelor precum beriliu , titan și zirconiu , precum și pentru a produce alți compuși chimici. Aproximativ 95% din potasiu este utilizat în îngrășăminte . De asemenea, sunt importante hidroxidul de potasiu (KOH) utilizat pentru săpunuri și detergenți și carbonatul de potasiu (K 2 CO 3 ) pentru fabricarea sticlei. Printre multe alte aplicații, sărurile de potasiu sunt utilizate pentru produsele farmaceutice și de copt, pentru tăbăcirea pielii , pentru sarea iodată, pentru artificii și praf de pușcă . Rubidiul este foarte scump și este utilizat doar în cercetare. Cea mai mare parte din cesiu este utilizată pentru forarea fluidelor din industria petrolieră ca lubrifiant cu impact redus asupra mediului. Cesiul are, de asemenea, diverse utilizări tehnologice, inclusiv sticlă și fibre optice, scintilatoare , ceasuri atomice . Toți izotopii franciului sunt radioactivi și au timp de înjumătățire prea scurt pentru orice aplicație practică. Câțiva atomi de freniu utilizați în cercetare sunt produși artificial de reacții nucleare . [3]

Proprietățile elementelor [1] [4] [5]

Variații ale valorilor punctului de topire (K) în tabelul periodic.
Tendința primei energii de ionizare din tabelul periodic: fiecare perioadă începe cu un minim pentru metalele alcaline și se termină cu un maxim pentru gazele nobile.

Metalele alcaline constituie un grup foarte omogen, potrivit pentru ilustrarea eficientă a influenței dimensiunilor atomice și ionice asupra proprietăților chimice și fizice, care variază foarte regulat de-a lungul grupului. Toate au un aspect metalic strălucitor tipic și sunt moi și ductile, deoarece au un singur electron în stratul exterior pentru utilizare în legătura metalică . Ca rezultat, ele nu sunt, de asemenea, foarte dense și au puncte de topire și fierbere reduse, care scad grupul pe măsură ce dimensiunea atomică crește. Energia de ionizare este, de asemenea, scăzută în acest grup, deoarece singurul electron exterior se pierde foarte ușor, deoarece ionul M + format are o configurație electronică deosebit de stabilă, izoelectronică cu cea a gazului nobil anterior din tabelul periodic. Pe de altă parte, a doua energie de ionizare este atât de mare încât ionii M 2+ nu sunt observați în niciun compus. Ușurința cu care pierd electronul extern înseamnă, de asemenea, că au valori de electronegativitate scăzute și că potențialul lor de reducere este foarte negativ; cu alte cuvinte sunt metale foarte electropozitive (se oxidează ușor). Raza ionică și raza metalică sunt caracterizate în schimb de valori ridicate, care cresc pe măsură ce coboară de-a lungul grupului. Ca metale, ele au, de asemenea, o conductivitate termică și electrică ridicată. Toate metalele alcaline dau culori caracteristice în testul de flacără, datorită ușurinței de îndepărtare a singurului electron extern.

Unele proprietăți ale metalelor alcaline
Nume Litiu Sodiu Potasiu Rubidiu Cesiu Francio
Numar atomic 3 11 19 37 55 87
Greutatea atomică [6] 6.94 (1) 22.98976928 (2) 39.0983 (1) 85.4678 (3) 132.9054519 (2) [223]
Configurare electronică [ El ] 2s 1 [ Ne ] 3s 1 [ Ar ] 4s 1 [ Kr ] 5s 1 [ Xe ] 6s 1 [ Rn ] 7s 1
Punct de fuziune 453,69 K
180,54 ° C
356,97 ° F
370,87 K
97,72 ° C
207,9 ° F
336,53K,
63,38 ° C,
146,08 ° F
312.467K,
39,31 ° C,
102,76 ° F
301,59K,
28,44 ° C,
83,19 ° F
? 300 K,
? 27 ° C,
? 80 ° F
Punct de fierbere 1615 K,
1342 ° C,
2448 ° F
1156 K,
883 ° C,
1621 ° F
1032 K,
759 ° C,
1398 ° F
961 K,
688 ° C,
1270 ° F
944 K,
671 ° C,
1240 ° F
? 950 K,
? 677 ° C,
? 1250 ° F [7]
Densitate (gcm −3 ) 0,534 0,968 0,89 1,532 1,93 ? 1,87
Entalpia de fuziune (kJ mol −1 ) 3.00 2,60 2.321 2.19 2.09 ? ≈2
Entalpia de vaporizare (kJ mol −1 ) 136 97,42 79.1 69 66.1 ? ≈65
Entalpia de formare (kJ mol −1 ) 162 108 89.6 82,0 78.2 ?
Rezistivitate electrică la 298 K (n Ω cm ) 94,7 48,8 73.9 131 208 ?
Raza atomică ( pm ) 152 186 227 248 265 ?
Raza ionică a ionilor M + (pm) 76 102 138 152 167 ? 180
Energia primei ionizări ( kJ mol −1 ) 520.2 495,8 418,8 403,0 375,7 392,8
Afinitate electronică (kJ mol −1 ) 59,62 52,87 48,38 46,89 45,51 ? 44,0
Entalpia de disociere a M 2 (kJ mol −1 ) 106,5 73.6 57.3 45.6 44,77 ?
Electronegativitate 0,98 0,93 0,82 0,82 0,79 ? 0,7
Potențial de reducere standard ( E ° (M + → M 0 ); V ) −3.0401 −2,71 −2,931 −2.98 −3,026 −2.9
Culoarea testului de flacără
purpuriu Galben violet Roșu-violet Albastru ?

Reactivitatea chimică și tendințele grupului [1] [4] [5] [8]

Elementele grupului 1 reprezintă un grup foarte omogen, chiar dacă litiul, cel mai ușor element, prezintă un comportament oarecum diferit de cel al congenerilor mai grei. Aceste diferențe sunt totuși mai mici decât cele observate în celelalte grupuri ale tabelului periodic dintre primul element și congenerii săi superiori.

În metalele alcaline, electronul extern ns 1 se poate pierde cu ușurință, în timp ce a doua energie de ionizare este foarte mare, deoarece învelișul gazului nobil anterior ar trebui să fie deteriorat; în consecință, metalele reacționează mai violent, formând compuși numai în starea de oxidare +1, în esență ionici și incolori. Reactivitatea lor crește pe măsură ce coboară de-a lungul grupului.

În aer, suprafața metalică strălucitoare a acestor elemente se oxidează rapid, formând amestecuri de oxizi diferiți. Principalele produse variază în mod sistematic în cadrul grupului:

4Li (s) + O 2 (g) → 2Li 2 O (s) conține ionul oxid O 2–
2Na (s) + O 2 (g) → Na 2 O 2 (s) conține ionul peroxid O 2 2–
K (s) + O 2 (g) → KO 2 (s) conține ion superoxid O 2 -

Rubidiul și cesiul formează, de asemenea, superoxid MO 2 . Acest comportament poate fi raționalizat considerând că compușii ionici formați de anion și cationi de dimensiuni similare sunt, în general, mai stabili decât cei în care anionul și cationul sunt de dimensiuni foarte diferite. Toate aceste tipuri de oxid din apă sunt baze foarte puternice și reacționează pentru a forma hidroxizi, care sunt și baze puternice.

În apă, metalele alcaline prezintă o puternică putere de reducere , dezvoltând hidrogen :

2Na (s) + 2H 2 O (l) → 2NaOH (aq) + H 2 (g)

Reacția devine mai viguroasă și exotermă pe măsură ce parcurge grupul; cu potasiu se produce atât de multă căldură încât aprinde hidrogenul produs. Puterea mare de reducere a unor metale alcaline este exploatată pentru extragerea metalelor greu de izolat; de exemplu, sodiul este utilizat pentru a obține titan și zirconiu din clorurile lor.

Elementele acestui grup reacționează cu aproape toate nemetalele , cu excepția gazelor nobile, formând compușii binari corespunzători, cum ar fi M 3 P, M 3 As, M 2 S, M 2 Se, MX (X = halogen). Ca prim element al grupului, litiul are o chimie oarecum diferită de congenerii săi superiori, deoarece dimensiunea redusă a cationului Li + îi conferă o putere de polarizare ridicată, ducând la legături cu un anumit grad de covalență. Litiul este, de asemenea, singurul dintre metalele alcaline care reacționează direct cu azotul, formând ionul nitrid N 3– :

6Li (s) + N 2 (g) → 2 Li 3 N (s)

În grupa 2 , magneziul prezintă o reactivitate similară, formând Mg 3 N 2 . Litiul prezintă alte asemănări cu magneziul; de exemplu, fluorurile LiF și MgF 2 sunt mult mai puțin solubile decât celelalte fluoruri ale grupurilor respective 1 și 2. Această relație diagonală se datorează în esență dimensiunii similare a razelor celor doi ioni, care sunt 76 și 72 pm pentru Li + și respectiv Mg 2+ .

Metalele alcaline prezintă o anumită reactivitate prin dizolvare în lichid amoniac , unde se formează solvatat cation metalic M +, în timp ce electronul este solvatat într - o cavitate de solvent, care este de asemenea înconjurat de molecule de NH3. Culoarea acestor soluții se datorează prezenței electronului solvatat și depinde de concentrație: soluțiile diluate sunt foarte albastru închis, atunci când sunt concentrate devin o culoare bronz. Aceste soluții conduc curentul și pot fi utilizate ca agenți de reducere puternici atât în ​​sinteze organice, cât și in anorganice.

Modelul eterului 18-corona-6 care coordonează un ion de potasiu.

În ceea ce privește chimia coordonării , ionii metalelor alcaline din apă sunt caracterizați de o putere de coordonare slabă, deoarece ionii M + sunt relativ mari și au o sarcină redusă. În general Li + , Na + și K + preferă tetracoordonarea, în timp ce Rb + și Cs +, din cauza dimensiunii mai mari, preferă să formeze speciile hexacoordonate M (H 2 O) 6 + . În 1967, chimia de coordonare a acestor cationi a fost îmbogățită cu introducerea de noi ligandi eteri, polieteri și mai presus de toate polieteri ciclici ( corona eteri ). [9] Figura opusă exemplifică ionul K + complexat de un eter 18-corona-6. La compușii de acest tip, un cation metalic poate intra în cavitatea polieterului ciclic, iar rezistența legăturii stabilite depinde de dimensiunile relative ale cationului și ale ciclului. Pentru eterul 18-corona-6, constantele de stabilitate pentru complexarea ionilor alcalini variază în ordinea Li + <Na + <K + > Rb + > Cs + , indicând faptul că potasiul este ionul cu dimensiunea cea mai potrivită. Alți liganzi capabili să lege ionii alcalini (sau chiar și alți cationi) mai puternic și mai selectiv sunt criptanzi . Spre deosebire de eterii coronii, criptandii conțin și atomi donatori de azot și sunt policiclici; de aceea pot încapsula foarte eficient un ion de mărime adecvată. Complexul format prin criptare plus ion găzduit se numește criptat.

Compuși principali

Oxizi

Metalele alcaline pot forma diferite tipuri de compuși cu oxigenul, în funcție de dimensiunea metalului alcalin și de condițiile de reacție. Oxizii reali conțin ionul oxid O 2– , au formula M 2 O și sunt cunoscuți pentru toate metalele alcaline de la litiu la cesiu. Sunt compuși ionici care cristalizează cu structura asemănătoare antifluoritului . Toată lumea se comportă ca niște fundații puternice, iar elementalitatea crește pe măsură ce coborâți în grup. În apă reacționează pentru a forma hidroxizii corespunzători:

M 2 O + H 2 O → 2 MOH

Peroxizii au formula M 2 O 2 ; sunt substanțe ionice care conțin ionul peroxid O 2 2– . Li 2 O 2 și Na 2 O 2 sunt produse industrial, în timp ce peroxizii congenerilor mai grei sunt greu de preparat pur, deoarece tind să se oxideze pentru a forma superoxizi de MO 2 . Reacția peroxizilor cu apă sau acizi eliberează peroxid de hidrogen :

M 2 O 2 + 2 H 2 O → 2 MOH + H 2 O 2
M 2 O 2 + 2 HCl → 2 MCl + H 2 O 2

De superoxid au formula OM 2; sunt substanțe ionice care conțin ionul paramagnetic superoxid O 2 - . Stabilitatea superoxizilor depinde de mărimea cationului; în practică sunt stabile pentru potasiu și congeneri superiori. În apă produc peroxid de hidrogen și oxigen:

2MO 2 + 2H 2 O → 2MOH + H 2 O 2 + O 2

Sunt cunoscuți și mulți alți compuși ai metalelor alcaline care conțin oxigen; acestea sunt compuși de interes substanțial academic incluzând K 2 O 3, Rb 2 O 3, Rb 4 O 6, Rb 6 O, Rb 9 O 2, Cs 2 O 3, Cs 7 O, Cs 11 O 3. În cele din urmă, pentru toate metalele alcaline există ozonide cu formula MO 3 , care conțin ionul ozonid O 3 - . Ozonidele sunt explozive. [1] [8]

Halogenuri

Sunt compuși binari între un metal alcalin și un halogen . Sunt solide ionice cristaline foarte stabile, caracterizate prin temperaturi ridicate de topire și fierbere. Pentru același metal, valorile temperaturilor de topire și fierbere tind să scadă în seria F> Cl> Br> I. De exemplu, pentru sodiu, temperaturile de topire pentru NaF, NaCl, NaBr și NaI sunt respectiv 993, 801, 747 și 660 ° C. [10] Pot fi preparate în mod convenabil prin reacția hidroxidului sau carbonatului metalului alcalin cu hidracidul halogenului. De exemplu:

NaOH + HBr → NaBr + H 2 O
Na 2 CO 3 + 2HBr → 2NaBr + CO 2 + H 2 O

Cu toate acestea, unele precum NaCl și KCl sunt disponibile direct în natură în cantități mari. Halogenurile metalelor alcaline sunt în general foarte solubile în apă, cu excepția LiCl care nu este foarte solubilă. [1] [8]

În ceea ce privește hidroxizii acestui grup, aceștia prezintă caracteristici de deliquescență (cu excepția hidroxidului de litiu), în timp ce multe dintre halogenuri (cu excepția fluorurii de litiu) sunt în general higroscopice. Litiul este o excepție datorită energiei reticulare ridicate a acestor compuși, care nu este suficientă pentru a compensa energia de solvație a apei.

Alți compuși

Aceștia reacționează cu azot pentru a produce nitruri de tip M 3 N (de exemplu Li 3 N ). Reacționează cu carbonul pentru a produce carburi de tip M 2 C 2 (de exemplu Li 2 C 2 ).

Notă

Bibliografie

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 22889 · LCCN (RO) sh85003587 · GND (DE) 4224517-5 · BNF (FR) cb12121218w (data) · BNE (ES) XX533900 (data) · NDL (RO, JA) 00560346